一种改进型级联H 桥型变流器的调制策略研究

摘要：五电平级联H 桥型变流器在高压大容量场合得到了广泛应用。各级直流侧电压出现不平衡现象会导致变流器的输出波形发生畸变，谐波特性恶化；另一方面，一些混合型级联H 桥型变流器中，各级直流母线电压亦不同。在此以五电平级联H 桥型变流器为研究对象，研究了其在直流侧电压不平衡时的脉冲模型， 并提出了相应的调制策略。实验结果表明了理论分析的正确性和所提调制方法的有效性。同时，所提出的脉冲模型和调制策略还可推广到多级H桥级联和混合式级联H 桥型变流器中，有较强的推广性和实用性。

1 引言

级联H 桥型变流器具有输出波形质量好、du/dt小、电磁干扰小等优点；采用独立直流侧供电，避免了内部环流问题；模块化程度高，维护方便，可靠性高，因此在许多大容量的应用场合得到广泛应用。然而由于受负载波动、整流电路特性以及移相变压器等因素的影响， 各级直流电压不可避免地会与设计值产生大小不同的偏差，此时级联H 桥的输出等效为多个不同幅值PWM 波形的叠加， 因此其谐波特性等指标相应发生变化， 影响了变流器的输出波形质量，并可能加剧du/dt，恶化系统的电磁环境，影响系统的稳定性和可靠性。文献[4]提出了直流电压不同的级联H 桥拓扑，为级联H 桥的大功率应用提供了另一种思路。因此研究直流电压不同情况下级联H 桥型变流器的运行特性，并采取适宜的调制算法以改善变流器的运行特性十分必要。

在各种级联H 桥型变流器的谐波最优调制方法中， 最具代表性的是载波相移正弦脉宽调制（Carrier Phase Shift SPWM， 简称CPS鄄SPWM），对于五电平变流器而言，最低次谐波推至开关频率的4 倍处，提高了级联H 桥的传输带宽，获得了很好的调制特性。然而在各级母线电压不平衡的场合，由于直流电压的不平衡从根本上改变了CPS鄄SPWM的应用条件，CPS鄄SPWM 的调制效果将会下降，谐波特性将恶化。

在此将时域的PWM 脉冲波形投影到由时间和面积构成的坐标系中，分析了五电平级联H 桥型变流器在直流电压不同时的输出特性， 对常规调制方法进行改进，达到优化变流器输出波形、提高系统工作效率和可靠性的目的。对于多级级联H 桥型变流器及混合型级联H 桥变流器，该分析方法及所建数学模型依然有效。

　　2 桥臂开关脉冲的表示方法

图1a 示出五电平级联H 桥型变流器的拓扑，两级H 桥的输出分别为Uo1和Uo2，两单元的直流电压分别为Udc1和Udc2。每级H 桥单元由两个桥臂并联组成，称为左臂和右臂，分别用L 和R 表示，两级H 桥单元串联构成总输出Uo。现以第1 级H 桥单元的左臂为研究对象， 该桥臂由两个功率器件VT1和VT2串联组成， 忽略死区的影响， 则该桥臂工作在180°导通状态，即任何时刻VT1和VT2的状态互补。

图1a 的第1 级H 桥单元中，4 个开关管的状态决定了Uo1的输出，其值为0，Udc1或-Udc1。为便于分析， 并建立单相H 桥单元的输出与各开关管之间的关系，需要引入新的自变量。由于每个桥臂的两个开关器件状态互补，所以用两个变量即可表征单相H 桥单元的工作状态。据此绘制单相H 桥单元的左右臂上管驱动脉冲，如图1b 中波形1所示。

图1 五电平级联H 桥型变流器和单相H 桥单元脉冲

现构造与波形Ⅰ相对应的桥臂净面积（PulseNet Area，简称PNA），其步骤如波形Ⅱ所示，0～2π 对应第1 个开关周期， 波形的高低取值与驱动脉冲一致，由此得到图中所示的阴影面积。该阴影区域的大小为此时单相H 桥单元的左臂PNA，用ξL表示。

波形Ⅲ所示为左臂PNA 在时域上的投影，可见其取值范围为0～2π，对于一个在开关周期内居中分布的脉冲， 其PNA 大小确定后， 具体波形也得以确定，这样就确定了脉冲波形和桥臂PNA 之间的关系。

3 单相H 桥单元的输出表达式

以单相H 桥单元的直流母线负极为参考点，设ωc为开关频率的角频率，即ωcTs=2π，则对于任意时刻t，单个H 桥单元的输出可表示为：

将图2 所示的开关周期中点向右平移相位φ1，得到U1（H）更加通用的表达式为：

由式（1），（2）可知，一个开关周期内，单个H 桥单元的输出由U1（B），U1（H）组成，前者包含了调制波的信息；后者由周期性开关动作产生，包含了开关频率整数倍的各次谐波，且在不同开关周期内，各次谐波系数不同，决定于直流母线电压和左右桥臂的PNA。

　　4 五电平级联H 桥单元的模型及调制策略

对于图1 所示的五电平级联H 桥型变流器，根据式（1）可得其输出为：

在对五电平级联H 桥单元调制策略的调整过程中应关注式（3）所示的第2 部分，各次谐波系数的典型特征是受多个变量影响， 且包含正余弦等三角